1、Reactor Thermal Hydraulics 第四章第四章 核反应堆稳态工核反应堆稳态工况的水力计算况的水力计算 4.1 稳态工况下水力计算的任务 4.2 流体力学的一些基本知识 4.3 单相冷却剂的流动压降计算 4.4 汽水两相流动及其压降计算1Reactor Thermal Hydraulics 提升压降2121,1 2elPg Hg HHHH分别为截面、处流体的垂直高度2Reactor Thermal Hydraulics 加速压降2221212111()()aPG VVGGvvWVA3Reactor Thermal Hydraulics 摩擦压降22feLVPfD4Reacto
2、r Thermal Hydraulics 局部压降PKVc225Reactor Thermal Hydraulics 汽水两相流动及其压降计算 多相流：多种物相（汽、液、固）在同一个系统内一起流动称为多相流。组分：通常把组成物相的化学成分称为组分。由相同化学成分组成的多相流称为单组分多相流，否则，则称为多组分多相流。两相流的存在明显地改变了冷却剂的传热性能和流动特性。两相流的研究对水冷却反应堆系统的设计和运行是非常重要的。6Reactor Thermal Hydraulics 一、两相流的流型 概念：在受热通道中，汽水混合物的汽相和液相同时流动，可以形成各式各样的形态，即所谓流动结构，这些流动
3、结构通常就称之为流型。重要性：确定两相流的流型与在单相流中区别是层流还是湍流是同样重要的。因为在两相流中，流型与系统的压力、流量、含汽量、壁面的热流量以及通道的几何形状和流动方位有着密切的联系，流型的变更通常表征着动量传递和传热特性的改变，因而不同的流型在通道内会形成不同的流动工况，产生不同的流动压降、不同的传热方式和沸腾临界。7Reactor Thermal Hydraulics 垂直加热通道中的主要流型 （）泡状流：液相是连续相，汽相以汽泡的形式弥散在液相中，两相同时沿通道流动。这种流型一般发生在过冷沸腾区或饱和沸腾低含汽量区；（）弹状流：也称塞状流或块状流，它是柱形汽泡和块状液团在通道的
4、中心部分交替出现的流动。这种流动实际上是泡状流向环状流的过渡阶段，因此弹状流是一种不稳定的过渡流型。它一般出现在饱和沸腾中等含汽量区；8Reactor Thermal Hydraulics （）环状流：液相在管壁上形成一个环形的连续流，而连续的汽相则在管道的中心部分流动，在液环中还弥散着汽泡，在汽相中也夹带着液滴。这种流型出现在饱和沸腾高含汽量区。（）滴状流：通道内的流体变成许多细小的液滴悬浮在蒸汽主流中随着蒸汽流动。而且越接近通道的出口，液滴的数量越少，液滴的尺寸也越小，直到形成单相蒸汽时为止。垂直加热通道中的主要流型 9Reactor Thermal Hydraulics 垂直加热通道中的
5、典型流型10Reactor Thermal Hydraulics 11Reactor Thermal Hydraulics 水平流动通道中的流型 水平流动下的流型组合比垂直流动时的情况略为复杂，因为流场在重力作用下，导致较显著的相分布不均匀性。常见的水平同向流动流型有弥散泡状流、层状流、间歇流和弥散环状流。12Reactor Thermal Hydraulics 弥散泡状流 气泡弥散在连续液相中，由于浮力影响，气泡集中弥散在流道顶部。随着流速增大气泡呈泡沫状均匀弥散于整个流道。13Reactor Thermal Hydraulics 层状流 层状流又可细分为纯层状流和波状层状流。纯层状流下，重
6、力使两相完全分离，两相交界面光滑。气相在流道上部流动，液相在流道底部流动。随着气相流速增大，两相交界面呈波状，便进入波状层状流。14Reactor Thermal Hydraulics 间歇流 间歇流又可细分为塞状流、半弹状流和弹状流。塞状流是气泡呈弹状且偏置于流道顶部流动。弹状流时液相呈连续相，夹杂有小液滴的气块处于流道顶部并与泡沫状液块相间。半弹状流和弹状流的差异仅是泡沫状液块界面呈波状且不与流道顶部相接触。15Reactor Thermal Hydraulics 弥散环状流 水平弥散环状流的基本特征与垂直流动下的相同。一般不出现纯环状流动，汽芯中往往夹带着大量弥散液滴。其主要差异是因在重
7、力作用下液膜周向厚度不均匀，流道底部处膜厚大于顶部处的液膜厚度。16Reactor Thermal Hydraulics 流型图 汽液两相流的流型与两相流的流动和传热特性有很大关系，因此如何确定流型一直是两相流研究中的一个重要课题。在两相流流量、流体的物性值（密度、粘度、表面张力等）、管道的几何形状尺寸以及热流密度确定的条件下，要判断管内汽液两相流的流型可应用流型图。流型图是根据实验数据总结而成，因而应用流型图时不应超过其试验范围。17Reactor Thermal Hydraulics 二 含汽量、空泡份额和滑速比 两相流系统的流动压降计算、传热计算、流动稳定性分析，除了要涉及到具体流型之外
8、，还必须确定通道中每一处两相间数量上的比例关系，为此引入了含汽量、空泡分额和滑速比的概念。18Reactor Thermal Hydraulics 1 含汽量(即质量含汽率)z静态含汽量xs。对于不流动的系统，其静态含汽量为考虑一个长度为z的体积元，有xs汽液混合物内蒸汽的质量汽液混合物的总质量xzAzAzAAAAsggffggggffggxs值的变化范围是0 xs1。19Reactor Thermal Hydraulics z真实含汽量x x 蒸汽的质量流量汽液混合物的总质量流量xV AV AV Agggfffggg真实含汽量x对于分析过冷沸腾和烧干后的沸腾工况十分重要，因为在这两个区域内汽
9、液两相处于热力学非平衡状态。20Reactor Thermal Hydraulics z平衡态含汽量xe 式中是汽液两相混合物的焓，Hfs是液体的饱和焓，Hfg是汽化潜热。平衡态含汽量可以为负，也可以为正和大于1。若xe为负，则说明流体是过冷的；若xe大于1，则说明流体已为过热蒸汽。xHHHefsfg()/21Reactor Thermal Hydraulics 2 空泡份额z在静止的汽液混合物中，定义为蒸汽的体积与汽液混合物总体积的比值 /ugufugVVV22Reactor Thermal Hydraulics/gfggAZAAZAA式中的Ag和Af分别是蒸汽和液体在通道内所占据的流通截面
10、积。因为Ag+Af=A，由此可见，在数值上恰好等于蒸汽所占据的通道截面积的份额。在流动的系统中，定义为该区段蒸汽的体积与汽液混合物总体积的比值23Reactor Thermal Hydraulics 空泡份额沿加热通道的分布如下图：24Reactor Thermal Hydraulics I-高过冷沸腾区高过冷沸腾区,液体主流是高度过冷的，汽泡在加热面上以起沫方式生成，很稀疏，并且是贴附在壁面上的，汽泡长大和消失不渗透到主流中去，在这一区域内产生的蒸汽实质上是一种壁面效应。在该区内，由于汽泡小，而且少，在许多实际分析中，这种空泡的影响一般可忽略不计。25Reactor Thermal Hydr
11、aulics II-低过冷沸腾区 低过冷沸腾区,过冷沸腾充分发展，生成的汽泡越来越多，汽泡层越积越厚，空泡的作用明显地表现出来。在摩擦力和浮升力的作用下汽泡不断沿壁面滑动，且当作用在汽泡上的摩擦力和浮升力刚好超过它吸附在加热面上的表面张力和惯性力时便跃离加热面而逸入主流。进入主流的汽泡，通常在下游过冷液芯内缓慢冷凝消失，也有一部分还来不及完全冷凝就被带到下游饱和沸腾区。该区域，主流中存在明显的汽泡流，所以该区域是两相流。该区域通道任意截面上的汽液两相处于热力学不平衡状态，液相的温度低于系统压力下的饱和温度。该区内空泡份额经验关系式：26Reactor Thermal Hydraulics 27
12、Reactor Thermal Hydraulics III-饱和沸腾区饱和沸腾区，按平衡态模型，应该从S点开始，按非平衡态模型，从E点开始，流体到达E点后，液相的温度才真正达到饱和值，在E点之前，加热量的一部分要用于生成过冷空泡，无法保证液体温度达到饱和，只有到E点以后，加热量才全部用于生成汽泡，而不需要增加液体温度，汽液两相处于饱和状态。28Reactor Thermal Hydraulics 也有一些关系式，不需要知道滑速比。对于泡状流，班科夫(Bankoff):饱和沸腾区空泡份额饱和沸腾区的空泡份额和滑速比都随流型而变化。滑速比通常由实验求得。29Reactor Thermal Hyd
13、raulics 30Reactor Thermal Hydraulics 3 滑速比 在两相流中，蒸汽的平均速度和液体的平均速度可以相等，也可以不相等。若其中蒸汽的平均速度是Vg，液体的平均速度是Vf，则定义Vg与Vf之比为滑速比S，即SVVgf/31Reactor Thermal Hydraulics 在垂直向上流动的两相系统中，由于蒸汽的密度小，受到浮力的作用，因而蒸汽的运动速度要比液体快，这样蒸汽和液体之间便产生了相对滑移，S1.如果混合物的总质量流量为Wt，则蒸汽的质量流量为xWt，而液体的质量流量为(1-x)Wt，故有：;(1)1tgggtfffgfffggxWA Vx WA VVA
14、xSVx A32Reactor Thermal Hydraulics 4 含汽量、空泡份额和滑速比间的关系 处于静止的单位质量的汽液混合物中，蒸汽的体积等于它的质量乘上它的比容，于是有fg(1)11(1)/(/)sgsgsfssx vx vx vxxvvvf是液体的比容，vg是蒸汽的比容。上式表明，在系统压力不十分高时，一个很小的Xs会导致一个可观的值。但在高压下，这个差别将缩小，在临界压力下，由于汽液相已不能区分，这时不存在问题了。33Reactor Thermal Hydraulics 对于流动系统，/(1)/gfgfgAAAAA可得到包括滑移影响在内的与X之间的关系式，11111()1(
15、)()fgvxxSxxv上式表明，在压力和含汽量不变时，随着S的增加而减少，可见S的值越大，对中子的慢化越是有利。34Reactor Thermal Hydraulics 由前面可知，只要知道了滑速比S，就可以计算出。但滑速比需要实验测定。为此，一些学者建立了有关模型，可以不需要知道S，而用公式直接求。5 空泡份额的计算 对于泡状流，班科夫公式11()gseefsKKxxK称为体积含汽率，为无因次量对于汽水混合物：K=0.71+1.45*1E-8P35Reactor Thermal Hydraulics 对于环状流，Maritinelli-Nelson公式1(1)eexxXe为平衡态含汽量，为
16、经验常数压力(Mpa)0.101.724.148.6214.4820.6822.12246.040.020.09.83.952.151.036Reactor Thermal Hydraulics 三 两相流动压降计算 dpdzdpdzdpdzdpdzfael37Reactor Thermal Hydraulics 两相流分析方法 许多情况下不可能知道系统中相继出现的流型，因而也不可能对特定的流动型应用专门的处理方法。为此，专门研究了一种无需特别考虑流型而使之适用于进行热工水力分析的方法。这种方法通常是根据预测可能出现的两相流型，先建立一定的物理模型；继之按照所建立的物理模型合适地定义两相流的特
17、性参数；最后再应用有关标准流体力学和传热学方法对系统进行分析。目前广为应用的物理模型有“均匀流模型”和“分离流模型”38Reactor Thermal Hydraulics 均匀流模型 它是把两相流看作是一个具有从每一相物性导出的平均物性的假想单相流。均匀流模型的基本假设是：(i)汽相和液相的流速相等（S=1）；(ii)两相间处于热力学平衡状态（x=xe）；(iii)使用合理确定的单相摩擦系数。这个模型适用于分析泡状流和滴状流，特别是流速大和压力高的情况39Reactor Thermal Hydraulics 均匀流模型的两相压降表达式222sintpfaeldpdpdpdpG vdvfGgd
18、zdzdzdzDdz111egsefsvx vxv其中 式中xe、vgs、vfs分别为平衡态含汽量、饱和蒸汽比容、饱和水比容；ftp为范宁摩擦系数，ftp=ftp/4，ftp为达西摩擦系数。40Reactor Thermal Hydraulics 两相摩擦系数ftp 求ftp就成为求解均匀流两相压降的关键。已经发展了些用来确定ftp的方法，其中最简单和最常用的方法是先定义一个合适的混合物的“平均粘度”，然后再用标准的摩擦系数关系式进行求解。41Reactor Thermal Hydraulics 平均粘度关系式 由麦克亚当斯等提出的 由西希蒂等提出的 由杜克勒等提出的 111gfxx 12gf
19、xx 13ggffxvx v42Reactor Thermal Hydraulics 两相摩擦系数ftp的求解 假设两相摩擦系数按伯拉修斯关系式求：如果 用麦克亚当斯等提出的关系式求，则可得到下面的两相摩擦压降梯度表达式 0.250.079/tpfGD0.25011gffgfffggfgffgfgvdpdpxxdzdzvvvv 其中，43Reactor Thermal Hydraulics 两相摩擦压降倍数200fffdpdpdzdz 0.252011gffgffsgsvxxv(/)dp dzf 0表示把整个流体都当作液体时算得的全液相压降梯度 称为两相摩擦压降倍数 两相摩擦压降一般写成以下形
20、式f 0244Reactor Thermal Hydraulics 分离流模型 假定汽液两相完全分开，每相均以各自的平均流速沿通道的不同部分流动，这样的一种流动结构就称为分离流模型，在分离流模型中，汽相的平均流速和液相的平均流速一般是不相等的。分离流模型所依据的基本前提是下列假设：(i)汽相和液相的流速各自保持不变，但不相等；(ii)两相间处于热力学平衡状态；(iii)应用经验关系式或简化的概念寻求两相流摩擦压降倍数 和空泡分额与独立流动变量之间的表达式。f 0245Reactor Thermal Hydraulics 相同含汽量，压力越大，空泡份额越小。相同压力，则含汽量越大，空泡份额越大。46Reactor Thermal Hydraulics 含汽量 xe%02f47Reactor Thermal Hydraulics 四 局部压降包括截面突然扩大,截面突然缩小和孔板。这部分与单相流动的局部压降类似，请同学们自学。48Reactor Thermal Hydraulics 作业 什么是气液两相流动？什么是质量含汽率x、体积含汽率、空泡份额和滑速比S？写出空泡份额的理论计算公式。什么是均匀流动，什么是分离流动？在竖直管道中，随着含汽量的增加，可能出现那些两相流动工况（即流型）？在水平流动管道中，又是怎样的呢？什么叫做两相摩擦压降倍增系数？49
